Birleştirme işlem basamakları

Capítulo 3

Semicondutores Magnéticos Diluídos

Neste capítulo apresentamos brevemente uma revisão bibliográfica referente aos conceitos e definições relacionadas com os Diluted Magnetic Semiconductor (DMS).

3.1 Semicondutores Magnéticos Diluídos

Os semicondutores magnéticos diluídos ou DMS são materiais semicondutores que incluem, na sua composição, átomos com momento magnético bastante grandes. Em geral, aqueles que tenham níveis d (Mn) ou f (Fe,

terras raras) semi-cheios. Uma característica principal dos DMS, e que os diferencia dos demais semicondutores, é a existência de uma forte interação de troca entre os momentos magnéticos dos portadores de spins e os momentos magnéticos localizados dos íons magnéticos (spins localizados). Esta interação de troca entre portadores livres e íons fixos na rede gera novas propriedades físicas, fazendo com que um campo magnético aplicado externamente produza efeitos importantes na diferença de energia entre níveis spin-polarizados, quando

comparados com semicondutores não-magnéticos [1,2].

3.2 Ordem Magnética

Nos DMS podem ocorrer diferentes tipos de ordenamento, ou orientação, dos momentos magnéticos dos íons fixos, efeitos estes que serão discutidos na continuação:

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3.2.1 Ferromagnetismo

Este é um tipo de ordenamento magnético onde os spins dos íons magnéticos localizados, em uma amostra DMS, apresentam uma tendência de alinhamento paralelo, ou seja, na mesma direção e sentido. A interação de troca, que alinha estes momentos magnéticos, tem que se estender por uma fração do um sólido, para que se produza uma fase ferromagnética, onde se observa uma possível formação de domínios ferromagnéticos. Neste materiais ferromagnéticos é observado uma característica marcante, conhecida como magnetização espontânea, onde uma amostra permanece com uma magnetização não-nula, quando se remove o campo magnético externo aplicado. Esta magnetização espontânea média do material depende da temperatura, e pode ser vista como uma medida do grau de magnetização, ou do tamanho dos domínios, de um sistema abaixo de uma temperatura crítica.

3.2.2 Antiferromagnetismo

Este é um outro tipo de ordenamento magnético onde os spins dos íons magnéticos localizados, em uma amostra DMS, adquirem a tendência de alinhamento na mesma direção, mas em sentido oposto, ou seja, em sentidos anti- paralelos. A interação de troca, em geral, acopla mais de dois destes íons. Assim estes materiais apresentam uma propriedade denominada de spin-glass, em baixas temperaturas devido a impossibilidade de que um terceiro vizinho manter esta propriedade de anti-paralelismo simultânea com outros dois vizinhos próximos. Este efeito é denominado ”frustation”. Geralmente, requer-se um campo magnético intenso, comparado com a intensidade do acoplamento de troca entre íons, para se conseguir uma magnetização média de uma amostra deste tipo.

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Estes materiais podem apresentar magnetização não-nula para campos no intervalo 3-6 T. Entretanto, eles não apresentam magnetização espontânea ao se remover o campo externo aplicado.

3.2.3 Paramagnetismo

Consiste na tendência de alinhamento de dipolos magnéticos intrínsecos paralelamente com um campo magnético externo. Sem campo magnético aplicado não há magnetização resultante, pois a agitação térmica tende a produzir uma magnetização zero. Na seqüência, podemos ver estes tipos de magnetização na Fig. (3.1), onde se ilustramos os diferentes ordenamentos magnéticos.

Figura 3.1: Distribuição típica dos diferentes momentos magnéticos quando encontra-se presente um

campo magnético. a) Sólido paramagnético: Sólido com interação magnética muito fraca. entre íons. Na presença de campo, estes dipolos tendem a se alinharem, produzindo magnetização média não-nula. b)

Sólido Ferromagnético: Forte interacão entre íons, fromnando domínios magnéticos c) Sólido antiferromagnético: interação média entre íons com tendência ao antiparalelismo[3].

Nos ordenamentos ferromagnéticos e antiferromagnéticos, existe uma temperatura característica, acima da qual estes materiais sólidos apresentam fase paramagnética. Nos materiais ferromagnéticos, nesta temperatura perdem suas propriedades ferromagnéticas denominada de temperatura de Curie (Tc). Nos

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Para que o efeito conjunto do sistema de spins localizados (momentos

magnéticos dos átomos magnéticos) sobre os portadores livres seja apreciável, é preciso que existam ordenamentos ferromagnético ou antiferromagnético. No regime paramagnético, os spins localizados estão dirigidos aleatoriamente e o

efeito conjunto deles sobre os portadores livres é muito pequeno, mas podendo ser não desprezível.

O mecanismo de interação entre os spins dos íons magnéticos localizados com o

spin dos portadores livres, em sistemas ferromagnéticos e antiferromagnéticos, é a interação de troca acoplando os vizinhos mais próximos, os segundos próximos vizinhos e assim por diante. Ela tem a forma:

, ( ) . xc i ij i j i j H = −

∑

r r

é a constante de acoplamento de troca. Dependendo da estrutura cristalina e dos valores das constantes de acoplamentos, J1 (primeiros vizinhos) e J2 (segundos vizinhos), …

etc, o ordenamento magnético sem campo magnético aplicado, pode ser ferromagnético (valores positivos de Ji) ou antiferromagnético (valores negativos

de Ji).

Quando aplicamos um campo magnético, os spins localizados nos domínios

magnéticos tendem a se alinharem com o campo, aumentando o tamanho destes domínios e produzindo uma magnetização na amostra. O campo magnético necessário para produzir este ordenamento chama-se campo crítico Hc que, como

mencionado antes, também depende da temperatura.

Os spins dos íons magnéticos localizados interagem, por outro lado, com os

spins dos portadores livres, através de um Hamiltoniano de troca, semelhante ao

citado (Eq. 3.1). Esta interação de troca é intermediada pelos portadores livres, e, portanto a concentração destes portadores é um outro fator que determina o ordenamento magnético em semicondutores. Sobre certas condições, os portadores livres podem mudar os seus estados de polarização de spin, na região próxima dos

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íons localizados, de acordo com o tipo de interação ferro (paralelo) ou antiferro (antiparalelo) estabelecido pelo acoplamento na interação de troca ( J’s ).